JP5306906B2 - Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus - Google Patents
Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP5306906B2 JP5306906B2 JP2009129783A JP2009129783A JP5306906B2 JP 5306906 B2 JP5306906 B2 JP 5306906B2 JP 2009129783 A JP2009129783 A JP 2009129783A JP 2009129783 A JP2009129783 A JP 2009129783A JP 5306906 B2 JP5306906 B2 JP 5306906B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pixel
- charge
- row
- conversion unit
- pixels
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 80
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 claims description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 23
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 23
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 8
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 101100243108 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) PDI1 gene Proteins 0.000 description 5
- ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N nobelium Chemical compound [No] ORQBXQOJMQIAOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 101100476641 Homo sapiens SAMM50 gene Proteins 0.000 description 4
- 102100035853 Sorting and assembly machinery component 50 homolog Human genes 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器に関する。
The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method for the solid-state imaging device, and an electronic apparatus.
固体撮像装置の一方式として、X−Yアドレス型固体撮像装置の一種である増幅型固体撮像装置、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型(MOS型を含む)の固体撮像装置(以下、「CMOSイメージセンサ」と記述する)がある。 As one type of solid-state imaging device, an amplification type solid-state imaging device which is a kind of XY address type solid-state imaging device, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type (including MOS type) solid-state imaging device (hereinafter referred to as “CMOS”). Image sensor ”).
このCMOSイメージセンサにおいて、光電変換部に対して配線層が配される側を表面側としたとき、当該表面側から入射光を取り込む表面入射型(表面照射型と呼称される場合もある)の画素構造が一般的である。これに対して、配線層が配される側と反対側、即ち裏面側から入射光を取り込む裏面入射型(裏面照射型と呼称される場合もある)の画素構造がある(例えば、特許文献1参照)。 In this CMOS image sensor, when the side on which the wiring layer is arranged with respect to the photoelectric conversion portion is the front side, the front side incident type (also referred to as the front side irradiation type) that takes in incident light from the front side. A pixel structure is common. On the other hand, there is a back-illuminated type (sometimes referred to as a back-illuminated type) pixel structure that takes in incident light from the side opposite to the side where the wiring layer is arranged, that is, the back side (for example, Patent Document 1). reference).
ところで、光電変換部から溢れる電荷が隣接画素へ漏れ込まないようにするために、表面入射型の画素構造では、一般的に、図16に示す縦方向オーバーフロードレイン構造を採っている。この縦方向オーバーフロードレイン構造は、光電変換部(PD)51の底のポテンシャル障壁を転送ゲート53の下のポテンシャル障壁よりも低く設定し、光電変換部51から溢れる電荷を基板52側へ捨てる構造である。
Incidentally, in order to prevent the electric charge overflowing from the photoelectric conversion portion from leaking into the adjacent pixels, the front-illuminated pixel structure generally adopts a vertical overflow drain structure shown in FIG. This vertical overflow drain structure is a structure in which the potential barrier at the bottom of the photoelectric conversion unit (PD) 51 is set lower than the potential barrier below the
一方、裏面入射型の画素構造は基板が存在しないために、光電変換部から溢れる電荷を捨てることができない。そのため、裏面入射型の画素構造の場合、図17に示すように、光電変換部51から溢れる電荷を、転送ゲート53の下を通してフローティングディフュージョン部(以下、「FD部」と記述する)54へ捨てる横方向オーバーフロードレイン構造を採る必要がある。因みに、光電変換部51から溢れる電荷が隣接画素へ漏れ込まないようにすることで、ブルーミング(光が入射していない部分も明るく見える現象)を抑制することができる。
On the other hand, since the back-illuminated pixel structure does not have a substrate, the charges overflowing from the photoelectric conversion unit cannot be discarded. Therefore, in the case of a back-illuminated pixel structure, as shown in FIG. 17, the electric charge overflowing from the photoelectric conversion unit 51 passes through the
また、ブルーミング対策の他の技術として、1フレーム期間に一度も電荷が読み出されない画素行に対しても、露光時間(蓄積時間)を規定する電子シャッタと同時に、ブルーミング対策のための電子シャッタを行う技術がある(例えば、特許文献2参照)。このブルーミング対策の他の技術は、基本的に、表面入射型の固体撮像装置を対象とした技術であり、光電変換部51の電荷をFD部54経由で電源に捨てるようにしている。
As another technique for countermeasures against blooming, an electronic shutter for countermeasures against blooming is provided at the same time as an electronic shutter for defining an exposure time (accumulation time) for a pixel row from which no charge is read once in one frame period. There is a technique to perform (see, for example, Patent Document 2). Another technique for countermeasures against blooming is basically a technique for a front-illuminated solid-state imaging device, and the charge of the photoelectric conversion unit 51 is thrown away to the power source via the
ところで、CMOSイメージセンサは、光電変換部を含む画素が二次元アレイ状に複数配置されている。個々の画素は、光電変換部の他に、転送ゲート部、リセットゲート部および増幅部等を構成する多くの構成要素(例えば、トランジスタ)を一画素領域内に有するために、画素の微細化を図る上で限界がある。 Incidentally, in the CMOS image sensor, a plurality of pixels including a photoelectric conversion unit are arranged in a two-dimensional array. Each pixel has many constituent elements (for example, transistors) constituting a transfer gate unit, a reset gate unit, an amplifier unit, and the like in addition to the photoelectric conversion unit in one pixel region. There is a limit to plan.
ただし、最近では、本来は一画素ごとに設けられる構成要素の一部を複数の画素間で共有することにより、一画素あたりの光電変換部以外の占有面積を抑制する、いわゆる複数画素共有構造が提案されている。そして、この複数画素共有構造は、CMOSイメージャにおける画素の微細化を図る上で必須の技術となりつつある。
However, recently, there is a so-called multiple pixel sharing structure that suppresses the occupied area other than the photoelectric conversion unit per pixel by sharing a part of the components originally provided for each pixel between the plurality of pixels. Proposed. This multi-pixel sharing structure is becoming an indispensable technique for miniaturizing pixels in a CMOS imager.
裏面入射型の画素構造において、複数画素共有構造を採用したとき、読み出し行に対してFD部を共有する画素の光電変換部内の電荷を事前に捨てておかないと、次のような不具合が発生する。すなわち、FD部を共有する画素の光電変換部内に電荷が溜まっていると、ポテンシャル障壁が低い転送ゲート下を通って当該電荷が読み出し行の画素のFD部へ漏れ込むために、電子シャッタで規定される蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保つことができない(その詳細については後述する)。 In the back-illuminated pixel structure, when a multi-pixel sharing structure is adopted, the following problems occur if the charge in the photoelectric conversion unit of the pixel sharing the FD unit for the readout row is not discarded in advance. To do. That is, if charge is accumulated in the photoelectric conversion unit of the pixel sharing the FD part, the charge leaks to the FD part of the pixel in the readout row because the charge leaks under the transfer gate having a low potential barrier. The linearity of the signal output depending on the accumulated time cannot be maintained (details will be described later).
ここでは、複数画素共有構造を採用した際の裏面入射型の画素構造における問題点について説明したが、当該問題点については、横方向オーバーフロードレイン構造を採る場合の表面入射型の画素構造においても同様のことが言える。すなわち、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保つことができないという問題点は、複数画素共有構造を採る横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置全般に対して言えることである。 Here, the problem in the back-illuminated pixel structure when the multi-pixel sharing structure is adopted has been described, but the problem also applies to the front-illuminated pixel structure when the lateral overflow drain structure is adopted. I can say that. That is, the problem that the linearity of the signal output depending on the accumulation time cannot be maintained is applicable to all solid-state imaging devices having a lateral overflow drain structure employing a multi-pixel sharing structure.
そこで、本発明は、複数画素共有構造を採るに当たって、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を維持可能な横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置、当該固体撮像装置の駆動方法および当該固体撮像装置を有する電子機器を提供することを目的とする。
Accordingly, the present invention provides a solid-state imaging device having a lateral overflow drain structure capable of maintaining the linearity of the signal output depending on the accumulation time, a driving method of the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device when adopting a multi-pixel sharing structure It is an object to provide an electronic device having
上記目的を達成するために、本発明は、光電変換部と、当該光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する転送トランジスタと、リセットトランジスタとを有し、前記光電変換部から溢れる電荷を、前記転送トランジスタ、前記電荷電圧変換部および前記リセットトランジスタを通して選択電源線に捨てる構造を有する、画素が複数行列状に配置され、少なくとも前記電荷電圧変換部を複数の画素で共有する画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素から信号を読み出す行を含む複数行の前記選択電源線を第1電圧レベルと第2電圧レベルで交互に駆動して選択状態とする走査を行い、前記選択電源線が選択状態の複数行について、読み出し行の画素から信号を読み出すよりも前に、読み出し行の第1の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有する第2の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有しない第3の画素とに対し、前記光電変換部内の電荷をリセットする行走査部とを備え、前記画素は、前記光電変換部に対して配線層が配される側と反対側から入射光を取り込む裏面入射型の画素構造となっており、前記行走査部は、前記選択電源線が選択状態の複数行のうち、リセットを行う画素を含む行について、前記選択電源線の電位を前記第1電圧レベルから前記第2電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオンして前記選択電源線の電位を前記第2電圧レベルから前記第1電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオフすることによって、前記第1の画素と前記第2の画素の組み合わせ、または、前記第1の画素と前記第2の画素と前記第3の画素の組み合わせで、同数の画素に対し前記光電変換部内の電荷を同時にリセットする構成を採っている。 In order to achieve the above object, the present invention includes a photoelectric conversion unit, a transfer transistor that transfers a charge photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit to a charge-voltage conversion unit, and a reset transistor, and the photoelectric conversion unit A plurality of pixels are arranged in a matrix form, and at least the charge voltage conversion unit is shared by the plurality of pixels . The pixel has a structure that discards the charges overflowing from the transfer transistor , the charge voltage conversion unit, and the reset transistor to the selected power supply line. Scanning the pixel array unit and a plurality of rows including the row for reading signals from each pixel of the pixel array unit by alternately driving the selected power supply lines at a first voltage level and a second voltage level to select a state; the selection power source line with multiple lines of selected state, before reading out signals from pixels on the read row, a first pixel in the readout row, readout row A second pixel sharing the charge voltage conversion unit with the pixel, a row scanning unit for resetting the charge in the photoelectric conversion unit with respect to a pixel in the readout row and a third pixel not sharing the charge voltage conversion unit; The pixel has a back-illuminated pixel structure that captures incident light from the side opposite to the side where the wiring layer is disposed with respect to the photoelectric conversion unit, and the row scanning unit includes the selection power line There among the plurality of rows in the selected state, about the line containing the pixel to be reset, the changing the potential of the selection power source line from the first voltage level to the second voltage level, said the previous SL transfer transistor reset transistor both on the potential of the selection power source line is changed from the second voltage level to said first voltage level, by turning off both of the transfer transistor and the reset transistor, the first A configuration in which the charge in the photoelectric conversion unit is simultaneously reset for the same number of pixels by a combination of the first pixel and the second pixel, or a combination of the first pixel, the second pixel, and the third pixel. Is adopted.
光電変換部から溢れる電荷を、転送ゲート部を通して電荷電圧変換部に捨てる構造は横方向オーバーフロードレイン構造である。この横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置において、電荷電圧変換部を複数の画素間で共有するに当たって、読み出し行の画素から信号を読み出すと同時またはそれよりも前に、共有画素の光電変換部内の電荷をリセットする。このリセット動作により、共有画素の光電変換部内に電荷が溜まっていたとしても当該電荷は捨てられるために、読み出し行の画素から信号を読み出す前に、共有画素の光電変換部から電荷が溢れて電荷電圧変換部へ漏れ込むことはない。
The structure that discards the charge overflowing from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit through the transfer gate unit is a lateral overflow drain structure. In the solid-state imaging device having the lateral overflow drain structure, in sharing the charge-voltage conversion unit among a plurality of pixels, the signal in the photoelectric conversion unit of the shared pixel is read simultaneously with or before the signal is read from the pixel in the readout row. Reset the charge. Even if charge is accumulated in the photoelectric conversion unit of the shared pixel by this reset operation, the charge is discarded, so that the charge overflows from the photoelectric conversion unit of the shared pixel before the signal is read from the pixel in the readout row. There is no leakage into the voltage converter.
本発明によれば、横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置において、共有画素の光電変換部から電荷が溢れて電荷電圧変換部へ漏れ込むことがないために、読み出し行の画素について蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保つことができる。
According to the present invention, in a solid-state imaging device having a lateral overflow drain structure, charge does not overflow from the photoelectric conversion unit of the shared pixel and leak into the charge-voltage conversion unit. The linearity of signal output can be maintained.
以下、発明を実施するための形態(以下、「実施形態」と記述する)について図面を用いて詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.本発明が適用される固体撮像装置(CMOSイメージセンサの例)
2.裏面入射型の画素構造
3.複数画素共有構造(4画素共有の例)
4.裏面入射型で複数画素共有構造を採ったときの問題点
5.本実施形態の特徴部分
6.電子機器(撮像装置の例)
Hereinafter, modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings. The description will be given in the following order.
1. Solid-state imaging device to which the present invention is applied (example of a CMOS image sensor)
2. 2. Back-illuminated pixel structure Multiple pixel sharing structure (example of 4-pixel sharing)
4). 4. Problems when adopting back-illuminated type multiple
<1.本発明が適用される固体撮像装置>
(システム構成)
図1は、本発明が適用される固体撮像装置、例えばX−Yアドレス型固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサのシステム構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
<1. Solid-state imaging device to which the present invention is applied>
(System configuration)
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an outline of a system configuration of a solid-state imaging device to which the present invention is applied, for example, a CMOS image sensor which is a kind of XY address type solid-state imaging device. Here, the CMOS image sensor is an image sensor created by applying or partially using a CMOS process.
本適用例に係るCMOSイメージセンサ10は、半導体基板(以下、「チップ」と記述する場合もある)11上に形成された画素アレイ部12と、当該画素アレイ部12と同じチップ11上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。本例では、周辺回路部として、例えば、行走査部(垂直駆動部)13、カラム処理部14、列走査部(水平駆動部)15およびシステム制御部16が設けられている。
The
画素アレイ部12には、入射光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換部を有する単位画素(以下、単に「画素」と記述する場合もある)が行列状に2次元配置されている。単位画素の具体的な構成については後述する。
In the
画素アレイ部12にはさらに、行列状の画素配列に対して画素行ごとに画素駆動線17が水平方向/行方向(画素行の画素の配列方向)に沿って配線され、画素列ごとに垂直信号線18が垂直方向/列方向(画素列の画素の配列方向)に沿って配線されている。画素駆動線17は、画素から信号を読み出す駆動を行う駆動信号を伝送する。図1では、画素駆動線17について1本の配線として示しているが、1本に限られるものではない。画素駆動線17の一端は、行走査部13の各行に対応した出力端に接続されている。
The
行走査部13は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素アレイ部12の各画素を、全画素同時あるいは行単位等で駆動する画素駆動部である。この行走査部13はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の2つの走査系を有する構成となっている。
The
読出し走査系は、単位画素から信号を読み出すために、画素アレイ部12の単位画素を行単位で順に選択走査する。単位画素から読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対して、その読出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して掃出し走査を行う。
The readout scanning system selectively scans the unit pixels of the
この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の単位画素の光電変換素子から不要な電荷が掃き出されることで、当該光電変換素子がリセットされる。そして、この掃出し走査系による不要電荷の掃き出し(リセット)により、いわゆる電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換素子の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する(光電荷の蓄積を開始する)動作のことを言う。 By the sweep scanning by the sweep scanning system, unnecessary charges are swept out from the photoelectric conversion elements of the unit pixels in the readout row, so that the photoelectric conversion elements are reset. A so-called electronic shutter operation is performed by sweeping (reset) unnecessary charges by the sweep scanning system. Here, the electronic shutter operation refers to an operation in which the photoelectric charge of the photoelectric conversion element is discarded and a new exposure is started (photocharge accumulation is started).
読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作または電子シャッタ動作以降に入射した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミングまたは電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における光電荷の蓄積期間(露光期間)となる。 The signal read by the reading operation by the reading scanning system corresponds to the amount of light incident after the immediately preceding reading operation or electronic shutter operation. The period from the read timing by the immediately preceding read operation or the sweep timing by the electronic shutter operation to the read timing by the current read operation is the photocharge accumulation period (exposure period) in the unit pixel.
行走査部13によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線18の各々を通してカラム処理部14に供給される。カラム処理部14は、画素アレイ部12の画素列ごとに、選択行の各画素から垂直信号線18を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
A signal output from each unit pixel in the pixel row selectively scanned by the
具体的には、カラム処理部14は、単位画素の信号を受けて当該信号に対して、例えばCDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)によるノイズ除去や、信号増幅や、AD(アナログ−デジタル)変換等の信号処理を行う。ノイズ除去処理により、リセットノイズや増幅トランジスタの閾値ばらつき等の画素固有の固定パターンノイズが除去される。なお、ここで例示した信号処理は一例に過ぎず、信号処理としてはこれらに限られるものではない。
Specifically, the
列走査部15は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、カラム処理部14の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この列走査部15による選択走査により、カラム処理部14で信号処理された画素信号が順番に水平バス19に出力され、当該水平バス19を通してチップ11の外部へ伝送される。
The
システム制御部16は、チップ11の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータなどを受け取り、また、本CMOSイメージセンサ10の内部情報などのデータを出力する。システム制御部16さらには、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に行走査部13、カラム処理部14および列走査部15などの周辺回路部の駆動制御を行う。
The
以上説明したCMOSイメージセンサ10の構成は、基本的に、表面入射型の画素構造の場合も、裏面入射型の画素構造の場合も同じである。ただし、本発明に係るCMOSイメージセンサは、裏面入射型の画素構造を採ることを前提とする。以下に、裏面入射型の画素構造の具体的な構成について説明する。
The configuration of the
<2.裏面入射型の画素構造>
図2は、裏面入射型の画素構造の構成の一例を示す断面図である。ここでは、2画素分の断面構造を示している。
<2. Back-illuminated pixel structure>
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a back-illuminated pixel structure. Here, a cross-sectional structure for two pixels is shown.
図2において、シリコン部21には、光電変換部であるフォトダイオード22や当該フォトダイオード22を駆動する画素トランジスタ23が形成される。すなわち、シリコン部21は素子形成部である。
In FIG. 2, a
シリコン部21の一方の面側には、層間膜24を介してカラーフィルタ25が作り込まれる。これにより、シリコン部21の一方の面側から入射する光は、カラーフィルタ25を経由してフォトダイオード22の受光面に導かれる。
A
一方、シリコン部21の他方の面側には、層間絶縁膜26内に画素トランジスタ23のゲート電極や金属配線が多層配線されてなる配線層27を形成する。配線層27のシリコン部21と反対側の面には、接着剤28によって支持基板29が貼り付けられる。
On the other hand, on the other surface side of the
上記の画素構造において、フォトダイオード22や画素トランジスタ23が形成されるシリコン部21の配線層27側を表面側と呼び、シリコン部21の配線層27と反対側を裏面側と呼ぶこととする。このような定義の下に、本画素構造は、シリコン部21の裏面側から入射光を取り込むことになるため裏面入射型の画素構造となる。
In the above pixel structure, the
この裏面入射型の画素構造によれば、配線層27と反対の面側、即ち裏面側から入射光を取り込むために、フォトダイオード22の受光面を考慮して配線層27の各配線をレイアウトする必要がない。したがって、配線のレイアウトの自由度が高くなるために、表面照射型に比べて画素の微細化を図ることができる利点がある。
According to this back-illuminated pixel structure, each wiring of the
また、フォトダイオード22とカラーフィルタ25との間の距離が表面照射型に比べて極めて短い。裏面入射型の画素構造の場合でも、マイクロレンズ(オンチップレンズ)は必要となるが、マイクロレンズを省くことも実施例の一つとして考えることができる。
Further, the distance between the
<3.複数画素共有構造>
上記構成の裏面入射型の画素構造を採るCMOSイメージセンサ10において、本実施形態では、画素アレイ部11の個々の画素について、本来は一画素ごとに設けられる構成要素の一部を複数の画素間で共有する複数画素共有構造を採る。複数画素共有構造について説明する前に、複数画素共有構造を採らない画素構成について説明する。
<3. Multiple pixel sharing structure>
In the
(複数画素共有構造を採らない画素回路)
図3は、複数画素共有構造を採らない画素回路の一例を示す回路図である。図3に示すように、本回路例に係る画素30は、光電変換部である例えばフォトダイオード31に加えて、転送トランジスタ32、リセットトランジスタ33および増幅トランジスタ34の3つのトランジスタを有する構成となっている。ここでは、これらトランジスタ32〜34として、例えばNチャネルのMOSトランジスタを用いた場合を示している。
(Pixel circuit without multiple pixel sharing structure)
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a pixel circuit that does not employ a multiple pixel sharing structure. As shown in FIG. 3, the
ここで、転送トランジスタ32は、フォトダイオード31で光電変換された電荷を電荷電圧変換部であるFD部(フローティングディフュージョン部)35に転送する転送ゲート部を構成している。リセットトランジスタ33は、FD部35の電位をリセットするリセットゲート部を構成している。増幅トランジスタ34は、FD部35の電位に対応した信号を垂直信号線18に出力する増幅部を構成している。
Here, the
図3において、フォトダイオード31のアノード電極は接地されている。転送トランジスタ32は、フォトダイオード31のカソード電極とFD部35との間に接続され、そのゲート電極に転送パルスTRGが行走査部13から選択的に与えられる。すると、転送トランジスタ32はオン状態となって、フォトダイオード31で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷(ここでは、光電子)をFD部35に転送する。
In FIG. 3, the anode electrode of the
リセットトランジスタ33は、選択電源SELVddにドレイン電極が、FD部35にソース電極がそれぞれ接続され、フォトダイオード31からの電荷転送に先立って、そのゲート電極にリセットパルスRSTが行走査部13から選択的に与えられる。すると、リセットトランジスタ33はオン状態となって、FD部35の電荷を選択電源SELVddに捨てることによってFD部35をリセットする。ここで、選択電源SELVddは、電源電圧としてVddレベルと例えばGNDレベルとを選択的にとる。
The
増幅トランジスタ34は、FD部35にゲート電極が、選択電源SELVddにドレイン電極が、垂直信号線18にソース電極がそれぞれ接続されたソースフォロア構成となっている。そして、増幅トランジスタ34は、選択電源SELVddがVddレベルになることによって動作状態となり、リセットトランジスタ33によるリセット後のFD部35の電位をリセットレベルとして垂直信号線18に出力する。増幅トランジスタ34はさらに、転送トランジスタ32による電荷転送後のFD部35の電位を信号レベルとして垂直信号線18に出力する。
The
ここで、選択電源SELVddは、GNDレベル(0V)またはその近傍の第1電圧レベル(例えば、0.6V)とVddレベルとを選択的にとり、GNDレベルまたは第1電圧レベルからVddレベルに切り替わることによって画素選択を行う。 Here, the selected power supply SELVdd selectively takes the GND level (0 V) or a first voltage level (for example, 0.6 V) in the vicinity thereof and the Vdd level, and switches from the GND level or the first voltage level to the Vdd level. The pixel is selected by.
(複数画素共有構造を採る本実施形態に係る画素回路)
図4は、複数画素共有構造を採る画素回路の一例を示す回路図であり、図中、図3と同等部分には同一符号を付して示している。ここでは、一例として、本来は一画素ごとに設けられる構成要素の少なくともFD部(電荷電圧変換部)35を、近接する複数の画素、例えば同一画素列に属し、互いに隣接する縦4画素間で共有する4画素共有構造について説明する。
(Pixel circuit according to this embodiment adopting a multi-pixel sharing structure)
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a pixel circuit adopting a multiple pixel sharing structure. In FIG. 4, the same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals. Here, as an example, at least the FD part (charge-voltage conversion part) 35 that is originally provided for each pixel is arranged between a plurality of adjacent pixels, for example, the same vertical pixel and four vertical pixels adjacent to each other. A shared 4-pixel sharing structure will be described.
4画素共有構造を採る画素回路では、例えば同一画素列に属し、互いに隣接する縦4画素30−1,30−2,30−3,30−4を単位として、これら4画素間で1つのFD部35を共通化(共有)する構成となっている。近接する複数の画素間での共通化に当たっては、同一画素列で共通化した方が、各画素からの信号読出しのタイミング制御が容易である。
In a pixel circuit adopting a four-pixel sharing structure, for example, one FD between these four pixels in units of vertical four pixels 30-1, 30-2, 30-3, and 30-4 that belong to the same pixel column and are adjacent to each other. The
単位となる4つの画素30−1,30−2,30−3,30−4は各々、光電変換部であるフォトダイオード31−1,31−2,31−3,31−4を有している。4つの画素30−1,30−2,30−3,30−4は、2つずつが組(対)になっている。そして、一方の組の2つの画素30−1,30−2の画素領域に増幅トランジスタ34が設けられ、他方の組の2つの画素30−3,30−4の画素領域にリセットトランジスタ33が設けられている。
The four pixels 30-1, 30-2, 30-3, and 30-4 as units each have photodiodes 31-1, 31-2, 31-3, and 31-4 that are photoelectric conversion units. Yes. Each of the four pixels 30-1, 30-2, 30-3, 30-4 is a pair (pair). An
先述した複数画素共有構造を採らない画素回路では、リセットトランジスタ33および増幅トランジスタ34の各ドレイン電極が共に選択電源SELVddに接続されていた。すなわち、リセットトランジスタ33および増幅トランジスタ34の各ドレイン電源として共通の選択電源SELVddが用意されていた。
In the above-described pixel circuit that does not adopt the multiple pixel sharing structure, the drain electrodes of the
これに対して、本例に係る画素回路では、リセットトランジスタ33および増幅トランジスタ34の各ドレイン電源として別々の電源が用意されている。別々の電源としては、電源電圧(電圧レベル)が固定の固定電源Vddと、電源電圧が可変の選択電源SELVDDとが用意されている。選択電源SELVDDは、GNDレベル(0V)またはその近傍の第1電圧レベルと、例えば固定電源Vddの電圧レベルVddよりも高い第2電圧レベルVDDとを選択的にとり、第1電圧レベルから第2電圧レベルVDDに切り替わることによって画素選択を行う。
On the other hand, in the pixel circuit according to this example, separate power supplies are prepared as drain power supplies for the
そして、リセットトランジスタ33のドレイン電極が選択電源SELVDDに、増幅トランジスタ34のドレイン電極が固定電源Vddにそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ33のソース電極は縦4画素30−1,30−2,30−3,30−4間で共有するFD部35に接続されている。リセットトランジスタ33のゲート電極にはリセットパルスRSTが選択的に印加される。増幅トランジスタ34のゲート電極はFD部35に接続され、ソース電極は垂直信号線18に接続されている。
The drain electrode of the
(4画素共有の画素回路の回路動作)
次に、上記構成の4画素共有の画素回路の回路動作について、蓄積時間が1H(Hは水平走査期間)の場合を例に挙げて、図5のタイミングチャートを用いて説明する。
(Circuit operation of a pixel circuit sharing four pixels)
Next, the circuit operation of the pixel circuit sharing the four pixels having the above-described configuration will be described with reference to the timing chart of FIG. 5, taking as an example a case where the accumulation time is 1H (H is a horizontal scanning period).
時刻t10で選択電源SELVDDが第1電圧レベル(例えば、GNDレベル)から第2電圧レベルVDDに切り替わることで、1行目〜4行目の各画素が選択状態になる。次いで、時刻t11で1行目の転送パルスTRG1およびリセットパルスRSTが共にアクティブ状態(本例では、“H”レベル)になることで、画素30−1の転送トランジスタ32−1および4画素共通のリセットトランジスタ33が共にオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−1内の電荷、即ち不要な電荷は、FD部35を経由して選択電源SELVDDに掃き出される。
At time t10, the selected power supply SELVDD is switched from the first voltage level (for example, GND level) to the second voltage level VDD, so that the pixels in the first to fourth rows are selected. Next, at time t11, both the transfer pulse TRG1 and the reset pulse RST in the first row become active (in this example, “H” level), so that the transfer transistor 32-1 of the pixel 30-1 and the four pixels are common. Both reset
次に、時刻t12で選択電源SELVDDが第2電圧レベルから第1電圧レベル(GNDまたはその近傍のレベル)に切り替わり、フォトダイオード31−1からFD部35およびリセットトランジスタ33を経由しての選択電源SELVDDへの電荷の掃き出しが行われる。この掃き出し動作は、フォトダイオード31−1内の電荷を捨てる動作である。
Next, the selection power SELVDD at time t12 will switch from the second voltage level to the first voltage level (level of GND or near) the via
次に、時刻t13で1行目の転送パルスTRG1およびリセットパルスRSTが共に非アクティブ状態(本例では、“L”レベル)になる。これにより、画素30−1の転送トランジスタ32−1およびリセットトランジスタ33が共にオフ状態になる。そして、転送トランジスタ32−1がオフ状態になることで、1行目のフォトダイオード31−1において、光電変換された信号電荷(光電子)の蓄積が開始される。
Next, at time t13, both the transfer pulse TRG1 and the reset pulse RST in the first row become inactive (in this example, “L” level). As a result, both the transfer transistor 32-1 and the
続いて、時刻t14でリセットパルスRSTが再びアクティブ状態になり、次いで時刻t15で選択電源SELVDDが第2電圧レベルVDDに切り替わることで、4画素共通のリセットトランジスタ33がオン状態になる。これにより、4画素共有のFD部35内の電荷がリセットトランジスタ33を通して選択電源SELVDDに掃き出される。その結果、FD部35の電位が選択電源SELVDDの第2電圧レベルVDDにリセットされる。
Subsequently, the reset pulse RST becomes active again at time t14, and then the selected power source SELVDD is switched to the second voltage level VDD at time t15, whereby the
そして、時刻t16でリセットパルスRSTが非アクティブ状態になることで、FD部35のリセット動作が終わり、このときのFD部35の電位が1行目の画素30−1のリセットレベルとなる。このリセットレベルは、いわゆるP相レベルとして、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。
Then, when the reset pulse RST becomes inactive at time t16, the reset operation of the
次に、時刻t17で1行目の転送パルスTRG1がアクティブ状態になることで、画素30−1の転送トランジスタ32−1がオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−1で光電変換された信号電荷が転送トランジスタ32−1によってFD部35に転送される。すなわち、時間t13−時間t17の期間が、1行目の画素30−1の信号電荷の蓄積期間となる。
Next, the transfer pulse TRG1 in the first row becomes active at time t17, whereby the transfer transistor 32-1 of the pixel 30-1 is turned on. Thereby, the signal charge photoelectrically converted by the photodiode 31-1 is transferred to the
そして、時刻t18で1行目の転送パルスTRG1が非アクティブ状態になることで、1行目における信号電荷の転送が終わる。このとき、FD部35の電位は、フォトダイオード31−1から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となる。そして、このFD部35の電位が1行目の画素30−1の信号レベルとなる。この信号レベルは、いわゆるD相レベルとして、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。
At time t18, the transfer pulse TRG1 in the first row becomes inactive, and the transfer of signal charges in the first row is completed. At this time, the potential of the
次に、時刻t19で2行目の転送パルスTRG2およびリセットパルスRSTが共にアクティブ状態になることで、画素30−2の転送トランジスタ32−2およびリセットトランジスタ33が共にオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−2内の電荷がFD部35を経由して選択電源SELVDDに掃き出される。
Next, at time t19, both the transfer pulse TRG2 and the reset pulse RST in the second row are activated, so that both the transfer transistor 32-2 and the
続いて、時刻t20で選択電源SELVDDが第1電圧レベルVDDに切り替わることで、リセットトランジスタ33がオフ状態になる。これにより、フォトダイオード31−2からFD部35およびリセットトランジスタ33を経由しての選択電源SELVDDへの電荷の掃き出し動作、即ちフォトダイオード31−2のリセット動作が終了する。
Subsequently, at time t20, the selected power supply SELVDD is switched to the first voltage level VDD, so that the
そして、時刻t21で2行目の転送パルスTRG2が非アクティブ状態になることで、画素30−2の転送トランジスタ32−2がオフ状態になり、2行目のフォトダイオード31−2において、光電変換された信号電荷の蓄積が開始される。 At time t21, the transfer pulse TRG2 in the second row becomes inactive, so that the transfer transistor 32-2 of the pixel 30-2 is turned off, and photoelectric conversion is performed in the photodiode 31-2 in the second row. Accumulation of the signal charge is started.
続いて、時刻t22でリセットパルスRSTがアクティブ状態になり、次いで時刻t23で選択電源SELVDDが第2電圧レベルVDDに切り替わることで、リセットトランジスタ33がオン状態になる。これにより、FD部35の電荷がリセットトランジスタ33を通して選択電源SELVDDに捨てられる。その結果、FD部35の電位が選択電源SELVDDの第2電圧レベルVDDにリセットされる。
Subsequently, the reset pulse RST becomes active at time t22, and then the selected power supply SELVDD is switched to the second voltage level VDD at time t23, whereby the
そして、時刻t24でリセットパルスRSTが非アクティブ状態になることで、FD部35のリセット動作が終わり、このときのFD部35の電位が2行目の画素30−2のリセットレベル(P相)として、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。
Then, the reset pulse RST becomes inactive at time t24, so that the reset operation of the
次に、時刻t25で2行目の転送パルスTRG2がアクティブ状態になることで、画素30−2の転送トランジスタ32−2がオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−2で光電変換された信号電荷が転送トランジスタ32−2によってFD部35に転送される。すなわち、時刻t21−時刻t25の期間が、2行目の画素30−2の信号電荷の蓄積期間となる。
Next, when the transfer pulse TRG2 in the second row becomes active at time t25, the transfer transistor 32-2 of the pixel 30-2 is turned on. Thereby, the signal charge photoelectrically converted by the photodiode 31-2 is transferred to the
そして、時刻t26で2行目の転送パルスTRG2が非アクティブ状態になることで、2行目における信号電荷の転送が終わる。このとき、FD部35の電位は、フォトダイオード31−2から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となる。そして、このFD部35の電位が2行目の画素30−2の信号レベル(D相)として、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。
Then, the transfer pulse TRG2 in the second row becomes inactive at time t26, whereby the transfer of signal charges in the second row is completed. At this time, the potential of the
次に、時刻t27で3行目の転送パルスTRG3およびリセットパルスRSTが共にアクティブ状態になることで、画素30−3の転送トランジスタ32−3およびリセットトランジスタ33が共にオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−3内の電荷がFD部35を経由して選択電源SELVDDに掃き出される。
Next, at time t27, both the transfer pulse TRG3 and the reset pulse RST in the third row are activated, so that both the transfer transistor 32-3 and the
続いて、時刻t28で選択電源SELVDDが第1電圧レベルVDDに切り替わることで、リセットトランジスタ33がオフ状態になる。これにより、フォトダイオード31−3からFD部35およびリセットトランジスタ33を経由しての選択電源SELVDDへの電荷の掃き出し動作、即ちフォトダイオード31−3のリセット動作が終了する。
Subsequently, at time t28, the selected power supply SELVDD is switched to the first voltage level VDD, so that the
そして、時刻t29で3行目の転送パルスTRG3が非アクティブ状態になることで、画素30−3の転送トランジスタ32−3がオフ状態になり、3行目のフォトダイオード31−3において、光電変換された信号電荷の蓄積が開始される。 At time t29, the transfer pulse TRG3 in the third row becomes inactive, so that the transfer transistor 32-3 of the pixel 30-3 is turned off, and photoelectric conversion is performed in the photodiode 31-3 in the third row. Accumulation of the signal charge is started.
続いて、時刻t30でリセットパルスRSTがアクティブ状態になり、次いで時刻t31で選択電源SELVDDが第2電圧レベルVDDに切り替わることで、リセットトランジスタ33がオン状態になる。これにより、FD部35の電荷がリセットトランジスタ33を通して選択電源SELVDDに捨てられる。その結果、FD部35の電位が選択電源SELVDDの第2電圧レベルVDDにリセットされる。
Subsequently, the reset pulse RST becomes active at time t30, and then the selected power supply SELVDD is switched to the second voltage level VDD at time t31, whereby the
そして、時刻t32でリセットパルスRSTが非アクティブ状態になることで、FD部35のリセット動作が終わり、このときのFD部35の電位が3行目の画素30−3のリセットレベル(P相)として、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。
Then, the reset pulse RST becomes inactive at time t32, so that the reset operation of the
次に、時刻t33で3行目の転送パルスTRG3がアクティブ状態になることで、画素30−3の転送トランジスタ32−3がオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−3で光電変換された信号電荷が転送トランジスタ32−3によってFD部35に転送される。すなわち、時刻t29−時刻t33の期間が、3行目の画素30−3の信号電荷の蓄積期間となる。
Next, the transfer pulse TRG3 in the third row is activated at time t33, so that the transfer transistor 32-3 of the pixel 30-3 is turned on. Thereby, the signal charge photoelectrically converted by the photodiode 31-3 is transferred to the
そして、時刻t34で3行目の転送パルスTRG3が非アクティブ状態になることで、3行目における信号電荷の転送が終わる。このとき、FD部35の電位は、フォトダイオード31−3から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となる。そして、このFD部35の電位が3行目の画素30−3の信号レベル(D相)として、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。
Then, at time t34, the transfer pulse TRG3 in the third row becomes inactive, and the transfer of signal charges in the third row is completed. At this time, the potential of the
次に、時刻t35で4行目の転送パルスTRG4およびリセットパルスRSTが共にアクティブ状態になることで、画素30−4の転送トランジスタ32−4およびリセットトランジスタ33が共にオン状態になる。これにより、フォトダイオード31−4内の電荷がFD部35を経由して選択電源SELVDDに掃き出される。
Next, at time t35, both the transfer pulse TRG4 and the reset pulse RST in the fourth row are activated, so that both the transfer transistor 32-4 and the
その後同様にして、4行目の画素30−4について、リセットレベル(P相)および信号レベル(D相)が読み出され、増幅トランジスタ34によって垂直信号線18に出力される。以降、4行を単位として上述した一連の回路動作が全画素行に対して繰り返して実行される。
Thereafter, similarly, the reset level (P phase) and the signal level (D phase) are read out for the pixels 30-4 in the fourth row and output to the
<4.裏面入射型で複数画素共有構造を採ったときの問題点>
ここで、前にも述べたが、裏面入射型の画素構造において、複数画素共有構造を採用したときに、読み出し行に対してFD部35を共有する画素のフォトダイオード31内の電荷を事前に捨てておかないと生ずる問題点について述べる。
<4. Problems when using a back-illuminated multi-pixel sharing structure>
Here, as described above, in the back-illuminated pixel structure, when the multiple pixel sharing structure is adopted, the charge in the
この問題点は、裏面入射型の画素構造が、フォトダイオード31から溢れる電荷を、転送トランジスタ32のゲート下を通してFD部35へ捨てる横方向オーバーフロードレイン構造を採ることに起因して発生する。すなわち、FD部35を共有する画素のフォトダイオード31内に電荷が溜まっていると、ポテンシャル障壁が低い転送トランジスタ32のゲート下を通って当該電荷が読み出し行の画素のFD部35へ漏れ込む。そのため、電子シャッタで規定される蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保つことができないという問題が発生する。
This problem occurs because the back-illuminated pixel structure adopts a lateral overflow drain structure in which charges overflowing from the
ここで、上記問題点について、先述した4画素共有の画素回路の場合を例に挙げて、図6のタイミングチャートを用いてより具体的に説明する。 Here, the above problem will be described more specifically with reference to the timing chart of FIG. 6 taking the case of the pixel circuit sharing the four pixels as an example.
4画素共有の画素回路の場合、蓄積時間が3Hまでの短時間蓄積では、画素共有しているフォトダイオード31で、電子(電荷)を捨てるためのシャッタ動作が行われない行があるために、FD部35への電子の漏れ込みが発生する。具体的には、図6に一点鎖線の丸印で示すように、蓄積時間が1Hのときは2,3,4行目のフォトダイオード31−2,31−3,31−4がシャッタなしのため電子が溢れる。蓄積時間が2Hのときは3,4行目のフォトダイオード31−3,31−4がシャッタなし、蓄積時間が3Hのときは4行目のフォトダイオード31−4がシャッタなしのため電子が溢れる。
In the case of a pixel circuit sharing four pixels, there is a row in which the shutter operation for discarding electrons (charges) is not performed in the
このように、FD部35への電子の漏れ込みが発生すると、図7に示すように、電子シャッタで規定される蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保つことができない。4画素共有の画素回路の場合には、蓄積時間が4H以上では、蓄積時間に依存する信号出力の線形性は保てるものの、蓄積時間が3Hまでの短時間蓄積では、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保てなくなる。
As described above, when electrons leak into the
ここでは、4画素共有の画素回路の場合を例に挙げて説明したが、4画素以外の共有の画素回路の場合にも同様の問題が発生する。例えば、2画素共有の画素回路の場合には、図8に示すように、蓄積時間が1Hの短時間蓄積の際に、画素共有しているフォトダイオード31でシャッタ動作が行われないために、蓄積時間が1Hのときに信号出力の蓄積時間の依存性を保てなくなる。
Here, the case of a pixel circuit sharing four pixels has been described as an example, but the same problem occurs in the case of a pixel circuit sharing other than four pixels. For example, in the case of a pixel circuit sharing two pixels, as shown in FIG. 8, the shutter operation is not performed by the
すなわち、FD部35をn画素(nは2以上の整数)で共有する画素回路において、蓄積時間が(n−1)Hまでの短時間蓄積のときに、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保てなくなる。
That is, in a pixel circuit that shares the
また、蓄積時間に依存する信号出力の非線形性の問題点について、裏面入射型の画素構造の場合を例に挙げて説明したが、裏面入射型の画素構造に限られるものではない。すなわち、表面入射型の画素構造においても、光電変換部51で溢れる電荷をFD部54へ捨てる横方向オーバーフロードレイン構造を採ることが考えられる。
Further, the problem of the nonlinearity of the signal output depending on the accumulation time has been described by taking the case of the back-illuminated pixel structure as an example, but it is not limited to the back-illuminated pixel structure. That is, even in the front-illuminated pixel structure, it is conceivable to adopt a lateral overflow drain structure in which charges overflowing in the photoelectric conversion unit 51 are discarded to the
具体的には、図16において、転送ゲート53の下のポテンシャル障壁を、当該転送ゲート53に印加するゲート電圧の電圧値の設定により、光電変換部51の底のポテンシャル障壁よりも低くすることによって横方向オーバーフロードレイン構造を実現できる。そして、表面入射型の画素構造であっても、横方向オーバーフロードレイン構造を採る場合には、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保てなくなる。
Specifically, in FIG. 16, the potential barrier below the
<5.本実施形態の特徴部分>
上述したように、横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置において、本実施形態は、少なくともFD部35を複数の画素間で共有する画素共有構造を採る際に、蓄積時間に依存する信号出力の非線形性の問題を解決すべくなされたものである。そして、本実施形態は、画素共有構造を採るに当たり、読み出し行の画素30から信号を読み出すと同時またはそれよりも前(事前)に、FD部35を共有する画素(以下、「共有画素」と記述する)のフォトダイオード31内の電荷をリセットすることを特徴としている。
<5. Characteristic part of this embodiment>
As described above, in the solid-state imaging device having the lateral overflow drain structure, in the present embodiment, when adopting a pixel sharing structure in which at least the
以下に、本実施形態の特徴部分についてより具体的に説明する。ここでは、画素共有構造として、例えば図4に示すFD部35を近接する4画素間、例えば同一画素列に属する4画素間で共有する構造を例に挙げて説明するものとする。ただし、4画素共有構造への適用に限られるものではない。
Below, the characteristic part of this embodiment is demonstrated more concretely. Here, as the pixel sharing structure, for example, a structure in which the
4画素共有構造を採る固体撮像装置の駆動は、一例として、先述したように、図5のタイミングチャートに基づく回路動作によって行われる。この駆動の場合は、FD部35を共有する4つの画素30−1〜30−4の各々について、行走査部13による走査によって読み出し行として選択されるときだけ、フォトダイオード31−1〜31−4内の電荷を捨てるリセット動作(電子シャッタ動作)が行われる。
As an example, the driving of the solid-state imaging device adopting the 4-pixel sharing structure is performed by the circuit operation based on the timing chart of FIG. 5 as described above. In the case of this driving, only when each of the four pixels 30-1 to 30-4 sharing the
具体的には、図5のタイミングチャートにおいて、期間t11−t12で1行目の画素30−1、期間t19−t20で2行目の画素30−2、期間t27−t28で3行目の画素30−3、…という具合に電子シャッタ動作が行われる。すなわち、行走査部13によって選択された各読み出し行では、フォトダイオード31−1〜31−4の各リセット動作として、蓄積時間を規定する電子シャッタ動作が1回実行されるだけである。
Specifically, in the timing chart of FIG. 5, the pixel 30-1 in the first row in the period t11-t12, the pixel 30-2 in the second row in the period t19-t20, and the pixel in the third row in the period t27-t28. An electronic shutter operation is performed such as 30-3. That is, in each readout row selected by the
このように、読み出し行として選択されるときだけ、フォトダイオード31内の電荷を捨てるリセット動作を行う駆動の場合には、読み出し行の画素30からの信号を読み出す前に、他の共有画素ではフォトダイオード31内に電荷が溜まった状態にある。そして、横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置において、共有画素のフォトダイオード31内に溜まった電荷が転送トランジスタ32のゲート下を通って読み出し行の画素に漏れ込むと、先述した蓄積時間に依存する信号出力の非線形性の問題が発生する。
In this way, in the case of driving that performs a reset operation that discards the charge in the
そこで、横方向オーバーフロードレイン構造の固体撮像装置において、本実施形態は、画素共有構造を採るに当たって、読み出し行の画素30から信号を読み出すと同時またはそれよりも前に、共有画素のフォトダイオード31内の電荷をリセットする構成を採る。その具体的な駆動について、図9のタイミングチャートを用いて説明する。図9には、蓄積時間が1Hの場合の1行目〜4行目の駆動についてのタイミング関係を示している。
Therefore, in the solid-state imaging device having the lateral overflow drain structure, in the present embodiment, in adopting the pixel sharing structure, in the
ここでは、一例として、列走査部13によって読み出し行として1行目が選択された場合について説明する。1行目が読み出し行として選択されると、1行目の各画素から信号を読み出すのに先立って電子シャッタ動作が行われる。この電子シャッタ動作により、図5に基づく動作説明から明らかなように、フォトダイオード31−1の信号電荷の蓄積時間が決められる。実際には、図5のタイミングチャートにおいて、リセットパルスRSTおよび転送パルスTRG1が共に非アクティブ状態になる時刻t13から信号電荷の蓄積が開始される。
Here, as an example, a case where the first row is selected as a readout row by the
本例では、1行目の電子シャッタのタイミングで、共有画素、即ち2行目〜4行目の各画素30−2〜30−4の各フォトダイオード31−2〜31−4に対してリセット動作を行う。このリセット動作は、システム制御部16による制御の下に、行走査部13によって行われる。
In this example, at the timing of the electronic shutter of the first row, the shared pixels, that is, the photodiodes 31-2 to 31-4 of the pixels 30-2 to 30-4 of the second to fourth rows are reset. Perform the action. This reset operation is performed by the
具体的には、1相目の転送パルスTR1およびリセットパルスRSTがアクティブ状態になるときに、2行目〜4行目の転送パルスTR2〜TR4についてもアクティブ状態にする。これにより、2行目〜4行目の転送トランジスタ32−2〜32−4がオン状態になるために、2行目〜4行目の各フォトダイオード31−2〜31−4内の電荷がFD部35およびリセットトランジスタ33を経由して選択電源SELVDDに掃き出される。
Specifically, when the first-phase transfer pulse TR1 and the reset pulse RST are in the active state, the transfer pulses TR2 to TR4 in the second to fourth rows are also set in the active state. As a result, since the transfer transistors 32-2 to 32-4 in the second to fourth rows are turned on, the charges in the photodiodes 31-2 to 31-4 in the second to fourth rows are changed. It is swept out to the selected power supply SELVDD via the
このリセット動作は、読み出し行の画素に対する電子シャッタ動作とは別に、共有画素に対して行われるシャッタ動作である。このリセット動作については、特許文献2記載の従来技術などで行われているブルーミング対策のためのシャッタ動作に類似した技術であることから、本明細書中では、アンチブルーミングシャッタ動作と呼ぶものとする。
This reset operation is a shutter operation performed on the shared pixel separately from the electronic shutter operation on the pixel in the readout row. This reset operation is a technique similar to the shutter operation for countermeasures against blooming performed in the prior art described in
4画素共有の場合は、図10に示すように、各読み出し行の画素の電子シャッタ動作に同期して、残りの3つの共有画素に対してアンチブルーミングシャッタ動作を行うことになる。図10において、○印が読み出し行の画素から信号の読み出しタイミングを、□印が読み出し行に対する電子シャッタタイミングを、×印が共有画素のアンチブルーミングシャッタタイミングをそれぞれ示している。 In the case of 4-pixel sharing, as shown in FIG. 10, the anti-blooming shutter operation is performed on the remaining three shared pixels in synchronization with the electronic shutter operation of the pixels in each readout row. In FIG. 10, ◯ indicates the signal readout timing from the pixel in the readout row, □ indicates the electronic shutter timing for the readout row, and X indicates the anti-blooming shutter timing of the shared pixel.
また、図10において、同一の画素行における○印と□印との間の時間は、信号電荷の蓄積時間(本例では、1H)を示している。さらに、図10において、隣り合う画素行における○印と□印との間の時間tは、隣り合う画素行における信号の読み出しと電子シャッタとのタイミング差(図5参照)を示している。 In FIG. 10, the time between the circles and the squares in the same pixel row indicates the signal charge accumulation time (1H in this example). Further, in FIG. 10, a time t between the ◯ mark and the □ mark in the adjacent pixel rows indicates a timing difference between the signal reading and the electronic shutter in the adjacent pixel rows (see FIG. 5).
図10の例では、蓄積時間を1Hとし、読み出し行を0行目としたとき、当該0行目の読み出し動作の1H前に0行目の電子シャッタ動作が行われる。この0行目の電子シャッタ動作と同じタイミングで、共有画素、即ち1行目〜3行目の各画素のアンチブルーミングシャッタ動作が行われる。そして、この電子シャッタ、アンチブルーミングシャッタおよび読み出しの各動作が、行単位で順番に繰り返されることになる。 In the example of FIG. 10, when the accumulation time is 1H and the readout row is the 0th row, the electronic shutter operation of the 0th row is performed 1H before the readout operation of the 0th row. The anti-blooming shutter operation is performed on the shared pixels, that is, the pixels on the first to third rows, at the same timing as the electronic shutter operation on the zeroth row. The electronic shutter operation, anti-blooming shutter operation, and readout operation are sequentially repeated in units of rows.
上述したアンチブルーミングシャッタ動作により、読み出し行の画素から信号を読み出す動作の前に、全共有画素のフォトダイオード31内の電荷を一度捨てることができる。これにより、読み出し行の画素から信号を読み出す前に、全共有画素のフォトダイオード31から電荷が溢れて4画素共有のFD部35へ漏れ込むことがないために、読み出し行の画素について蓄積時間に依存する信号出力の線形性を保つことができる。
By the above-described anti-blooming shutter operation, the charge in the
この蓄積時間に依存する信号出力の線形性を維持するための技術は、特に、裏面入射型の画素構造を採る固体撮像装置に適用して有用なものである。何故ならば、裏面入射型の画素構造は、フォトダイオード31から溢れる電荷を捨てる基板が存在しないために、当該電荷を転送トランジスタ32のゲート下を通してFD部35に捨てる横方向オーバーフロードレイン構造を採る必要があるからである。
This technique for maintaining the linearity of the signal output depending on the accumulation time is particularly useful when applied to a solid-state imaging device having a back-illuminated pixel structure. This is because the back-illuminated pixel structure does not have a substrate that discards the charges overflowing from the
なお、本例では、共有画素に対するアンチブルーミングシャッタ動作を、読み出し行の電子シャッタ動作のタイミング、即ち読み出し行の画素から信号を読み出す前に行うとしたが、読み出し行の画素から信号を読み出すのと同時に行うことも可能である。 In this example, the anti-blooming shutter operation for the shared pixel is performed before the electronic shutter operation timing of the readout row, that is, before the signal is read out from the pixel in the readout row, but when the signal is read out from the pixel in the readout row. It is also possible to do it simultaneously.
ここで、読み出し行の画素からの信号の読み出しは、図5のタイミングチャートにおいて、リセットレベル(P相)の読み出しから始まる。したがって、読み出し行の画素から信号を読み出すのと同時とは、読み出し行が1行目の場合には、選択電源SELVDDが第2電圧レベルVDDでかつリセットパルスRSTがアクティブ状態から非アクティブ状態に遷移する時刻t16を言う。 Here, readout of signals from the pixels in the readout row starts from readout of the reset level (P phase) in the timing chart of FIG. Therefore, simultaneously with reading out signals from the pixels in the readout row, when the readout row is the first row, the selection power source SELVDD is at the second voltage level VDD and the reset pulse RST transitions from the active state to the inactive state. Say time t16.
(間引き読出し)
以上では、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を維持するための技術を、行走査部13によって画素アレイ部12の各画素30を行単位で順番に走査して信号を読み出す順次読み出しに適用した場合について述べたが、間引き読み出しの場合にも適用できる。ここで、間引き読み出しとは、一定の行周期で画素行を読み飛ばし、残りの画素行の画素から信号を読み出す技術である。この間引き読み出しを用いることで、垂直読み出し本数(行数/ライン数)を減らすことができるために高速撮像を実現できる。
(Thinning readout)
In the above, the technique for maintaining the linearity of the signal output depending on the accumulation time is applied to sequential readout in which each
この間引き読み出しに適用する場合にも、読み出し行として選択した画素行の画素から信号を読み出すと同時(または、事前)に、全共有画素の各フォトダイオード31に対してアンチブルーミングシャッタ動作を行うようにすれば良い。
Also when applied to this thinning readout, an anti-blooming shutter operation is performed on each
例えば、3行を単位として、2行を読み飛ばし、残りの1行から信号を読み出す1/3間引き読み出しの場合の電子シャッタ、アンチブルーミングシャッタおよび読み出しの各動作のタイミング関係を図11に示す。 For example, FIG. 11 shows the timing relationship between the electronic shutter, the anti-blooming shutter, and the readout operation in the case of 1/3 decimation readout in which two rows are skipped in units of 3 rows and signals are read from the remaining one row.
図11において、同一の画素行における○印と□印との間の時間は、信号電荷の蓄積時間(本例では、1H)を示している。さらに、隣り合う画素行における○印と□印との間の時は、隣り合う画素行における信号の読み出しと電子シャッタとのタイミング差を示している。 In FIG. 11, the time between the ◯ mark and the □ mark in the same pixel row indicates the signal charge accumulation time (1H in this example). Further, the time between the ◯ mark and the □ mark in adjacent pixel rows indicates the timing difference between the signal readout and the electronic shutter in the adjacent pixel rows.
1/3間引き読み出しの場合には、0行目、3行目、6行目、9行目、12行目、…の画素行が順番に読み出し行として選択される。ここで、読み出し行としてたとえば12行目が選択されたときを考えると、当該12行目の読み出し動作の1H前に12行目の電子シャッタ動作が行われる。 In the case of 1/3 thinning readout, the pixel rows of the 0th row, the 3rd row, the 6th row, the 9th row, the 12th row,... Are sequentially selected as readout rows. Here, when the 12th row is selected as the readout row, for example, the electronic shutter operation of the 12th row is performed 1H before the readout operation of the 12th row.
そして、12行目の電子シャッタ動作と同じタイミングで、共有画素のうち、即ち14行目の画素のアンチブルーミングシャッタ動作が行われる。また、12行目の電子シャッタ動作よりも前の電子シャッタタイミングで他の共有画素、即ち13行目と15行目の各画素のアンチブルーミングシャッタ動作が行われる。 Then, the anti-blooming shutter operation of the shared pixels, that is, the pixels of the 14th row is performed at the same timing as the electronic shutter operation of the 12th row. Further, the anti-blooming shutter operation is performed on the other shared pixels, that is, the pixels on the 13th and 15th rows, at the electronic shutter timing before the electronic shutter operation on the 12th row.
これにより、FD部35を共有する4画素の内の1つの画素から信号を読み出す際に、当該画素から信号を読み出す前に全共有画素の各フォトダイオード31に対してアンチブルーミングシャッタ動作が行われることになる。本例では、図11に破線で囲んで示すように、12行目の画素から信号を読み出すときに、当該画素の電子シャッタのタイミングで14行目の画素、それよりも前の電子シャッタタイミングで13行目と15行目の画素のアンチブルーミングシャッタ動作が行われる。
As a result, when a signal is read from one of the four pixels sharing the
図12、図13、図14に、他の間引き読出しの場合の電子シャッタ、アンチブルーミングシャッタおよび読み出しの各動作のタイミング関係を示す。図12、図13、図14において、同一の画素行における○印と□印との間の時間は、信号電荷の蓄積時間(本例では、1H)を示している。さらに、隣り合う画素行における○印と□印との間の時は、隣り合う画素行における信号の読み出しと電子シャッタとのタイミング差を示している。 12, 13, and 14 show timing relationships of the electronic shutter, anti-blooming shutter, and readout operations in the case of other thinning readout. 12, 13, and 14, the time between the ◯ mark and the □ mark in the same pixel row indicates the signal charge accumulation time (1H in this example). Further, the time between the ◯ mark and the □ mark in adjacent pixel rows indicates the timing difference between the signal readout and the electronic shutter in the adjacent pixel rows.
図12は、2/8間引き読み出しの場合のアンチブルーミングシャッタ動作についての説明図である。図13は、2/15間引き読み出しの場合のアンチブルーミングシャッタ動作についての説明図である。図14は、1/5間引き読み出しの場合のアンチブルーミングシャッタ動作についての説明図である。 FIG. 12 is an explanatory diagram of an anti-blooming shutter operation in the case of 2/8 decimation readout. FIG. 13 is an explanatory diagram of the anti-blooming shutter operation in the case of 2/15 decimation readout. FIG. 14 is an explanatory diagram of the anti-blooming shutter operation in the case of 1/5 decimation readout.
図11〜図14から明らかなように、それぞれの間引き動作で必要なアンチブルーミングシャッタのシャッタ回数は異なる。しかし、いずれの間引き読み出しの場合にも、FD部35を共有する画素を単位として、読み出し行の画素から信号を読み出す前(またはと同時)に、全共有画素の各フォトダイオード31に対してアンチブルーミングシャッタ動作を行うことになる。
As is apparent from FIGS. 11 to 14, the number of anti-blooming shutters required for each thinning operation is different. However, in any of the thinning-out readouts, the
このように、間引き読み出しに本実施形態に係る技術を適用することにより、蓄積時間に依存する信号出力の線形性を維持しつつ高速撮像を実現できる。ここで、本実施形態に係る技術を間引き読み出しに適用する際には、各読み出し行の電子シャッタのタイミングにおいてアンチブルーミングシャッタのシャッタ回数(フォトダイオード31のリセット回数)が同数になるように設定するのが好ましい(図11〜図14参照)。 Thus, by applying the technique according to the present embodiment to the thinning-out readout, high-speed imaging can be realized while maintaining the linearity of the signal output depending on the accumulation time. Here, when the technique according to the present embodiment is applied to thinning-out reading, the number of shutters of the anti-blooming shutter (the number of resets of the photodiode 31) is set to be the same at the electronic shutter timing of each reading row. (Refer to FIGS. 11 to 14).
各読み出し行の電子シャッタのタイミングでのアンチブルーミングシャッタのシャッタ回数を同数に設定することで、いわゆるシャッタ段差の発生を抑えることができるために良好な撮像画像を得ることができる。ここで、シャッタ段差とは、垂直映像期間内にシャッタ動作が停止することに起因して撮像画像上に横帯が発生し、当該横帯がシャッタスピードに応じて上下に移動する現象を言う。 By setting the number of shutters of the anti-blooming shutter at the electronic shutter timing of each readout row to the same number, it is possible to suppress the occurrence of so-called shutter steps, and thus a good captured image can be obtained. Here, the shutter step refers to a phenomenon in which a horizontal band is generated on the captured image due to the shutter operation being stopped during the vertical video period, and the horizontal band moves up and down according to the shutter speed.
なお、上記実施形態では、CMOSイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、CMOSイメージセンサへの適用に限られるものではない。すなわち、可視光の光量に応じた電荷を物理量として検知して電気信号として出力する単位画素が行列状に配置されてなるX−Yアドレス型の固体撮像装置全般に適用可能である。 In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a CMOS image sensor has been described as an example, but the present invention is not limited to application to a CMOS image sensor. That is, the present invention is applicable to all XY address type solid-state imaging devices in which unit pixels that detect electric charges according to the amount of visible light as physical quantities and output them as electric signals are arranged in a matrix.
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
The solid-state imaging device may be formed as a single chip, or may be in a module-like form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. Good.
<6.電子機器>
本発明に係る固体撮像装置は、画像取込部(光電変換部)に固体撮像装置を用いる電子機器全般に搭載して用いることができる。電子機器としては、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置(カメラシステム)や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機などが挙げられる。なお、電子機器に搭載されるカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
<6. Electronic equipment>
The solid-state imaging device according to the present invention can be mounted and used in all electronic devices that use a solid-state imaging device for an image capturing unit (photoelectric conversion unit). Examples of the electronic device include an imaging device (camera system) such as a digital still camera and a video camera, a portable terminal device having an imaging function such as a mobile phone, and a copying machine using a solid-state imaging device for an image reading unit. Note that a camera module mounted on an electronic device may be an imaging device.
(撮像装置)
図15は、本発明に係る電子機器の一つである例えば撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図15に示すように、本発明に係る撮像装置100は、レンズ群101等を含む光学系、撮像素子102、カメラ信号処理部であるDSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107および電源系108等を有している。そして、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107および電源系108がバスライン109を介して相互に接続された構成となっている。
(Imaging device)
FIG. 15 is a block diagram illustrating an example of a configuration of, for example, an imaging apparatus which is one of electronic apparatuses according to the present invention. As shown in FIG. 15, an imaging apparatus 100 according to the present invention includes an optical system including a
レンズ群101は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで撮像素子102の撮像面上に結像する。撮像素子102は、レンズ群101によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この撮像素子102として、先述した実施形態に係るCMOSイメージセンサ等の固体撮像装置を用いることができる。
The
表示装置105は、液晶表示装置や有機EL(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、撮像素子102で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置106は、撮像素子102で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に記録する。
The
操作系107は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系108は、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106および操作系107の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
The
このような撮像装置100は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けのカメラモジュールに適用される。この撮像装置100において、撮像素子102として先述した実施形態に係るCMOSイメージセンサを用いることで、当該CMOSイメージセンサは蓄積時間に依存する信号出力の線形性を維持できるために良好な撮像画像を提供できる。
Such an imaging apparatus 100 is applied to a camera module for a mobile device such as a video camera, a digital still camera, or a mobile phone. In this imaging apparatus 100, the CMOS image sensor according to the above-described embodiment is used as the
10…CMOSイメージセンサ、11…半導体基板(チップ)、12…画素アレイ部、13…行走査部、14…カラム処理部、15…列走査部、16…システム制御部、17…画素駆動線、18…垂直信号線、30(30−1〜30−4)…画素、31(31−1〜31−4)…フォトダイオード、32(32−1〜32−4)…転送トランジスタ、33…リセットトランジスタ、34…増幅トランジスタ、35…FD(フローティングディフュージョン)部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記画素アレイ部の各画素から信号を読み出す行を含む複数行の前記選択電源線を第1電圧レベルと第2電圧レベルで交互に駆動して選択状態とする走査を行い、前記選択電源線が選択状態の複数行について、読み出し行の画素から信号を読み出すよりも前に、読み出し行の第1の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有する第2の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有しない第3の画素とに対し、前記光電変換部内の電荷をリセットする行走査部と
を備え、
前記画素は、前記光電変換部に対して配線層が配される側と反対側から入射光を取り込む裏面入射型の画素構造となっており、
前記行走査部は、前記選択電源線が選択状態の複数行のうち、リセットを行う画素を含む行について、前記選択電源線の電位を前記第1電圧レベルから前記第2電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオンして前記選択電源線の電位を前記第2電圧レベルから前記第1電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオフすることによって、前記第1の画素と前記第2の画素の組み合わせ、または、前記第1の画素と前記第2の画素と前記第3の画素の組み合わせで、同数の画素に対し前記光電変換部内の電荷を同時にリセットする、
固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit, a transfer transistor for transferring photoelectrically converted charges in the charge-voltage converter in the photoelectric conversion unit, and a reset transistor, the charge overflowing from the photoelectric conversion unit, the transfer transistor, the charge voltage A pixel array unit having a structure in which a plurality of pixels are arranged in a matrix, and at least the charge-voltage conversion unit is shared by a plurality of pixels, the conversion unit and the reset transistor being discarded to a selected power supply line;
The selected power supply lines in a plurality of rows including a row for reading a signal from each pixel of the pixel array unit are scanned at a first voltage level and a second voltage level alternately to make a selection state, and the selected power supply lines for multiple lines of selected state, before reading out signals from pixels on the read row, a first pixel in the readout row, and the second pixel sharing the pixel and the charge-voltage converter of the read row, the readout A row scanning unit that resets charges in the photoelectric conversion unit with respect to pixels in a row and a third pixel that does not share the charge-voltage conversion unit;
The pixel has a back-illuminated pixel structure that takes in incident light from the side opposite to the side where the wiring layer is arranged with respect to the photoelectric conversion unit,
The row scanning unit, among the selected power supply line of the multiline selected, with the line containing the pixel to be reset, changing the potential of the selected power supply line from the first voltage level to the second voltage level , before SL by changing the potential of the transfer transistor and the reset transistor together on to the selected power supply line from the second voltage level to said first voltage level, by turning off both of the reset transistor and the transfer transistor, Charges in the photoelectric conversion unit are simultaneously applied to the same number of pixels in the combination of the first pixel and the second pixel, or the combination of the first pixel, the second pixel, and the third pixel. Reset,
Solid-state imaging device.
請求項1記載の固体撮像装置。 The row scanning unit accumulates for a short time until the accumulation time is (n−1) H, where n is the number of pixels sharing the charge-voltage conversion unit (n is an integer of 2 or more) and the horizontal scanning period is H. The charge in the photoelectric conversion unit is reset at the time of
The solid-state imaging device according to claim 1.
請求項1または2に記載の固体撮像装置。 The row scanning unit resets the charge in the photoelectric conversion unit by sweeping out the charge in the photoelectric conversion unit via the charge-voltage conversion unit by the transfer transistor .
The solid-state imaging device according to claim 1 or 2.
請求項3記載の固体撮像装置。 The row scanning unit resets the charge in the photoelectric conversion unit at a timing of an electronic shutter that defines a signal charge accumulation time in the first pixel of the readout row;
The solid-state imaging device according to claim 3.
請求項4記載の固体撮像装置。 The row scanning unit skips pixel rows at a constant row period, and performs thinning readout for reading signals from the pixels of the remaining pixel rows.
The solid-state imaging device according to claim 4.
前記画素アレイ部の各画素から信号を読み出す行を含む複数行の前記選択電源線を第1電圧レベルと第2電圧レベルで交互に駆動して選択状態とする走査を行い、前記選択電源線が選択状態の複数行について、読み出し行の画素から信号を読み出すよりも前に、読み出し行の第1の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有する第2の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有しない第3の画素とに対し、前記光電変換部内の電荷をリセットし、
当該リセットに際し、前記選択電源線が選択状態の複数行のうち、リセットを行う画素を含む行について、前記選択電源線の電位を前記第1電圧レベルから前記第2電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオンして前記選択電源線の電位を前記第2電圧レベルから前記第1電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオフすることによって、前記第1の画素と前記第2の画素の組み合わせ、または、前記第1の画素と前記第2の画素と前記第3の画素の組み合わせで、同数の画素に対し前記光電変換部内の電荷を同時にリセットする、
固体撮像装置の駆動方法。 A photoelectric conversion unit, a transfer transistor for transferring photoelectrically converted charges in the charge-voltage converter in the photoelectric conversion unit, and a reset transistor, the charge overflowing from the photoelectric conversion unit, the transfer transistor, the charge voltage A pixel array unit having a structure in which a plurality of pixels are arranged in a matrix and disposed at least in the selected power supply line through the conversion unit and the reset transistor , and includes at least the charge-voltage conversion unit among a plurality of pixels, In driving the back-illuminated solid-state imaging device that takes in incident light from the side opposite to the side where the wiring layer is arranged with respect to the photoelectric conversion unit,
The selected power supply lines in a plurality of rows including a row for reading a signal from each pixel of the pixel array unit are scanned at a first voltage level and a second voltage level alternately to make a selection state, and the selected power supply lines for multiple lines of selected state, before reading out signals from pixels on the read row, a first pixel in the readout row, and the second pixel sharing the pixel and the charge-voltage converter of the read row, the readout Resetting the charge in the photoelectric conversion unit for the pixels in the row and the third pixel not sharing the charge-voltage conversion unit,
Upon the reset, among the selected power supply line of the multiline selected, with the line containing the pixel to be reset, changing the potential of the selected power supply line from the first voltage level to the second voltage level, before Both the transfer transistor and the reset transistor are turned on to change the potential of the selected power supply line from the second voltage level to the first voltage level , and both the transfer transistor and the reset transistor are turned off . The charge in the photoelectric conversion unit is simultaneously reset for the same number of pixels by a combination of one pixel and the second pixel, or a combination of the first pixel, the second pixel, and the third pixel. ,
A driving method of a solid-state imaging device.
前記画素アレイ部の各画素から信号を読み出す行を含む複数行の前記選択電源線を第1電圧レベルと第2電圧レベルで交互に駆動して選択状態とする走査を行い、前記選択電源線が選択状態の複数行について、読み出し行の画素から信号を読み出すよりも前に、読み出し行の第1の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有する第2の画素と、読み出し行の画素と前記電荷電圧変換部を共有しない第3の画素とに対し、前記光電変換部内の電荷をリセットする行走査部と
を備え、
前記画素は、前記光電変換部に対して配線層が配される側と反対側から入射光を取り込む裏面入射型の画素構造となっており、
前記行走査部は、前記選択電源線が選択状態の複数行のうち、リセットを行う画素を含む行について、前記選択電源線の電位を前記第1電圧レベルから前記第2電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオンして前記選択電源線の電位を前記第2電圧レベルから前記第1電圧レベルへ変化させ、前記転送トランジスタと前記リセットトランジスタを共にオフすることによって、前記第1の画素と前記第2の画素の組み合わせ、または、前記第1の画素と前記第2の画素と前記第3の画素の組み合わせで、同数の画素に対し前記光電変換部内の電荷を同時にリセットする、
固体撮像装置を有する電子機器。 A photoelectric conversion unit, a transfer transistor for transferring photoelectrically converted charges in the charge-voltage converter in the photoelectric conversion unit, and a reset transistor, the charge overflowing from the photoelectric conversion unit, the transfer transistor, the charge voltage A pixel array unit having a structure in which a plurality of pixels are arranged in a matrix, and at least the charge-voltage conversion unit is shared by a plurality of pixels, the conversion unit and the reset transistor being discarded to a selected power supply line;
The selected power supply lines in a plurality of rows including a row for reading a signal from each pixel of the pixel array unit are scanned at a first voltage level and a second voltage level alternately to make a selection state, and the selected power supply lines for multiple lines of selected state, before reading out signals from pixels on the read row, a first pixel in the readout row, and the second pixel sharing the pixel and the charge-voltage converter of the read row, the readout A row scanning unit that resets charges in the photoelectric conversion unit with respect to pixels in a row and a third pixel that does not share the charge-voltage conversion unit;
The pixel has a back-illuminated pixel structure that takes in incident light from the side opposite to the side where the wiring layer is arranged with respect to the photoelectric conversion unit,
The row scanning unit, among the selected power supply line of the multiline selected, with the line containing the pixel to be reset, changing the potential of the selected power supply line from the first voltage level to the second voltage level , before SL by changing the potential of the transfer transistor and the reset transistor together on to the selected power supply line from the second voltage level to said first voltage level, by turning off both of the reset transistor and the transfer transistor, Charges in the photoelectric conversion unit are simultaneously applied to the same number of pixels in the combination of the first pixel and the second pixel, or the combination of the first pixel, the second pixel, and the third pixel. Reset,
An electronic device having a solid-state imaging device.
Priority Applications (13)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009129783A JP5306906B2 (en) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus |
TW98134157A TWI433307B (en) | 2008-10-22 | 2009-10-08 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
EP20110006885 EP2393117B1 (en) | 2008-10-22 | 2009-10-19 | Solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
EP13000767.7A EP2595191B1 (en) | 2008-10-22 | 2009-10-19 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
EP09013174.9A EP2180514B1 (en) | 2008-10-22 | 2009-10-19 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor and imaging apparatus |
KR20090099594A KR20100044708A (en) | 2008-10-22 | 2009-10-20 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
US12/603,059 US8570412B2 (en) | 2008-10-22 | 2009-10-21 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
CN2009102065832A CN101729805B (en) | 2008-10-22 | 2009-10-22 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
US14/031,317 US9247172B2 (en) | 2008-10-22 | 2013-09-19 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
US14/957,278 US9781371B2 (en) | 2008-10-22 | 2015-12-02 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
KR1020160021813A KR20160030139A (en) | 2008-10-22 | 2016-02-24 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
KR1020170054158A KR101836039B1 (en) | 2008-10-22 | 2017-04-27 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
US15/690,572 US10136092B2 (en) | 2008-10-22 | 2017-08-30 | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009129783A JP5306906B2 (en) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011131330A Division JP5402993B2 (en) | 2011-06-13 | 2011-06-13 | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010278795A JP2010278795A (en) | 2010-12-09 |
JP5306906B2 true JP5306906B2 (en) | 2013-10-02 |
Family
ID=43425335
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009129783A Expired - Fee Related JP5306906B2 (en) | 2008-10-22 | 2009-05-29 | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5306906B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023088634A (en) * | 2021-12-15 | 2023-06-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Solid state imaging device and electronic apparatus |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4752447B2 (en) * | 2005-10-21 | 2011-08-17 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device and camera |
JP4747781B2 (en) * | 2005-10-27 | 2011-08-17 | 船井電機株式会社 | Imaging device |
JP4957238B2 (en) * | 2006-12-27 | 2012-06-20 | ソニー株式会社 | Solid-state imaging device |
JP4215167B2 (en) * | 2007-01-16 | 2009-01-28 | シャープ株式会社 | Amplification type solid-state imaging device and electronic information device |
JP5163935B2 (en) * | 2007-05-17 | 2013-03-13 | ソニー株式会社 | Image sensor |
-
2009
- 2009-05-29 JP JP2009129783A patent/JP5306906B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2010278795A (en) | 2010-12-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101836039B1 (en) | Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device | |
JP5359315B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device | |
US9054009B2 (en) | Solid-state image pickup device in which charges overflowing a memory during a charge transfer period are directed to a floating diffusion and method of driving same | |
JP5458582B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
JP5821315B2 (en) | Electronic device, driving method of electronic device | |
JP5251736B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
US8570416B2 (en) | Solid-state imaging apparatus with plural readout modes, and electronic equipment | |
TWI528814B (en) | Solid-state imaging device, method of driving the same, and electronic system | |
JP6120091B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method, and electronic apparatus | |
WO2013176007A1 (en) | Image sensor, drive method, and electronic device | |
JP2014060519A (en) | Solid-state image sensor, control method thereof and electronic apparatus | |
JP2010213140A (en) | Solid-state imaging apparatus, driving method of the same and electronic apparatus | |
JP2012129799A (en) | Solid state image sensor, driving method and electronic apparatus | |
JP2014039159A (en) | Solid-state imaging apparatus, driving method, and electronic apparatus | |
JP2011130364A (en) | Solid-state imaging apparatus and driving method thereof, and camera | |
JP4735702B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device | |
JP2007104386A (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
JP2011097540A (en) | Solid-state imaging element, and camera system | |
WO2015170533A1 (en) | Solid-state image pickup device, driving method for solid-state image pickup device, and electronic apparatus | |
JP2010028434A (en) | Solid-state imaging device | |
JP5402993B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
JP5306906B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
JP2011216961A (en) | Solid-state imaging apparatus, method of driving the same and electronic device | |
JP5234100B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
JP6053321B2 (en) | Solid-state imaging device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110405 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110412 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110613 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110705 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110830 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111004 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20111227 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120326 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20120405 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120703 |
|
A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20120928 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130523 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130626 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |